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衍射时差法超声检测TOFD-Ultrasonic Time of Flight Diffraction Testing

发表时(shi)间(jian):2016/1/8 14:35:49  阅读次数:

衍射时差法(TOFD)超声检测技术
nTOFD超声波检测是一种基于超声衍射信号实施检测的技术,自上世纪九十年代起,TOFD技术在国外广泛应用于承压设备焊缝以及铁路、桥梁等工程检测。国内大约从2000年起,开始对TOFD检测技术的研究和应用尝试。
n从2009年12月1日《固定式压力容器安全技术监察规程》正式开始实施,其中明确规定了焊缝的检测方法可以选用衍射时差超声检测法进行检测。
n2010年12月15日NB/T 47013.10(JB/T4730.10) 《承压设备无损检测 第10部分:衍射时差法超声检测》开始实施。
nTOFD检测需要记录每个检测位置完整的A扫信号,因此TOFD检测的数据采集系统是一个更先进的复杂的数字化系统,在接收放大系统频带宽度、数字化采样频率、信号处理速度、信息存储量等许多方面都需要达到更高的水平。
n计算机技术及集成电路的发展为TOFD技术和设备的发展提供了更好的帮助。
衍射现象
衍射是波的固有的现象,与波的反射、折射、干涉、叠加等都属于波的物理现象。

TOFD技术基本知识
TOFD一般采用两个探头的配置,一个发射,另一个接收。采用双探头系统的优点是可以避免一些反射信号对端点稍微信号的干扰,还可以实现大范围扫查,快速接收大量信号,因此双探头系统是TOFD技术的基本配置和特征。

n1、直通波
n2、缺陷信号
n3、底面纵波信号
n4、波型转换信号
n5、底面横波信号
n6、底面横波以后的信号
n一般情况下,TOFD检测时通常最先到达接收探头的是直通波。直通波在平直工件表面以下,沿两个探头之间最短路径以纵波速度进行传播。 
n直通波不是沿金属表面传播的表面波,而是声束边缘的体积波,直通波的频率比较声束中心的频率低。当探头间距较大时,直通波可能非常微弱,甚至不能识别。 
相位关系
nTOFD检测技术中相位识别是判别缺陷特征的一个重要依据。
n直通波与底波、缺陷上端点与缺陷下端点的相位关系
n直通波与缺陷下端点相位相同,底波与缺陷上端点相位相同
n缺陷上下端点相位相反

TOFD技术的图像显示
nTOFD技术把一系列A扫数据组合,通过信号处理转换为TOFD图像,在图像中每个独立的A扫信号成为图像中的一行,每一行表示实际位置中的一定的扫查长度(0.2~2mm).
TOFD图像的一维坐标代表探头位移,另一维坐标代表信号传输时间。

典型TOFD图像

TOFD扫查类型
n扫查方式一般分为非平行扫查、平行扫查2种。扫查方式示意图和相应的TOFD图像分别见下图。
n平行扫查(parallel scan):探头运动方向与声束方向平行的扫查方式。
n非平行扫查(non-parallel Scan):探头运动方向与声束方向垂直的扫查方式,一般指探头对称布置于焊缝中心线两侧沿焊缝长度方向(X轴)的扫查方式。 

TOFD 扫查(cha)图

表面裂纹

未(wei)焊透

坡(po)口未熔合

密集(ji)气(qi)孔

裂纹

密集的横向裂(lie)纹

TOFD技术应用难点案例
1.钝角焊接接头的检测

管座角焊缝的TOFD检测(管子厚度≥筒体厚度)
与对接焊缝检测设置一致,需要注意的是危害性缺陷容易产生在管壁位置,因此注意偏置扫查的的位置。

管座角焊缝的TOFD检测(管子厚度<筒体厚度)
n由于管子厚度较小,TOFD探头设置时需要设置成不同的楔块角度(如筒体侧为60°,管子侧为30°),保证声束中心点的位置位于焊缝中心线或管壁)

复合板焊缝的检测
n对于复合钢板焊缝的TOFD检测,由于复合层堆层界面的存在,会有一个界面反射信号(比底波信号约低20dB,与衍射信号相当),会带来一些干扰信号,影响信号的识别。

复合板的检测图(tu)像(xiang)(24+4mm)

加氢反应器堆焊层的检测 
n在2008年4月份我们对扬子石化一台235mm厚加氢反应器进行TOFD抽检,该设备内壁堆焊层长期使用后出现大面积的剥离,甚至一些剥离处已经开裂。用户比较关心这些剥离部位基材中是否会出现裂纹,以前采用手工超声波方法并不能有效地检出堆焊层剥离处基材中的细小的裂纹,因此本次检测采用了TOFD检测方法。

壁厚>50mm的分区检测
n当工件厚度太大时,一组探头的超声波声束已经不能完成覆盖整个焊缝区域时,可通过增加探头组的方法来解决 。
对于多组探头来检测工件时,需要将工件进行合理的分区,分区时需要考虑声束的覆盖、信噪比、检测分辨率、盲区大小等因素。
为减小直通波盲区,一般第一分区(靠近检测面)应比其下面的分区范围小,最大不宜超过40mm,一般设为20~30mm比较适宜,其它分
区则根据壁厚情况进行分配。

n作为一种日臻成熟的现代技术,TOFD技术具有很多优点:
nTOFD技术的可靠性好、灵敏度高。由于衍射信号不受声束角影响,工件厚度的影响也不大,任何方向的缺陷都能有效的发现,使该项技术具有很高的缺陷检出率。一般认为TOFD技术的缺陷检出率高达70-90%,远高于常规手工超声波检测技术,大多数情况下也高于射线照相技术。
nTOFD技术的定量精度高。采用衍射时差技术对缺陷定量,精度远远高于常规手工超声波检测。一般认为,对线性缺陷或面积型缺陷,TOFD定量误差小于1mm。对裂纹和未熔合缺陷高度测量误差通常只有零点几毫米。 
nTOFD检测技术对焊缝内一些危害性缺陷(如裂纹、未熔合等)在定量分析方面精度比较高,可以精确测量出这类缺陷的深度、自身高度、长度等。
nTOFD检测技术是一种超声波自动成像技术,系统配有自动或半自动扫查装置,能够确定缺陷与探头的相对位置,信号通过处理可转换为TOFD图像。与A型信号的波形显示相比,包含丰富信息的TOFD图像更有利于缺陷的识别和分析。
nTOFD检测系统是高性能数字化仪器,完全克服了模拟超声探伤仪和简单数字超声探伤仪记录信号能力差的缺点,不仅能全过程记录信号,长久保存数据,而且能高速进行大批量信号处理。
n与射线照相比较,TOFD检测无辐射污染,不影响其它工序的工作,检测效率高,检测结果实时处理。
TOFD的局限性
n表面盲区。TOFD技术的应用中,检测面盲区是一个比较重要影响因素,对一组探头的检测工艺中,检测面盲区在3~8mm的范围,占焊缝体积的5%~15%左右。因此一般需要进行多组探头扫查或其实检测方法补充检测。
n横向缺陷。横向缺陷在TOFD图像中并非不能检出,而是不能与点状缺陷(气孔等)区分识别,因此辅助手工超声检测进行横向缺陷检测具有较高的检测效率。
n粗晶材料检测困难
n复杂几何形状

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